НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПУСТОТ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ЗЕМНОЙ КОРЫ Российский патент 2013 года по МПК G01V1/00 

Описание патента на изобретение RU2501041C2

Изобретение относится к области сейсмологии, инженерной геологии, а более конкретно, к способам обнаружения естественных и искусственных пустот, полупустот (например, заполненных водой) или неоднородности с любой пониженной плотностью относительно вмещающих пород.

Известен способ радиоволнового просвечивания, который использует разведочные и эксплуатационные горные выработки, а также разведочные скважины, когда требуется найти пустоты в пространстве между пройденными горными выработками и скважинами. Используя различие коэффициентов поглощения вмещающих пород и искомых объектов, можно «просветить» электромагнитными волнами исследуемое пространство и по степени поглощения энергии передатчика установить наличие или отсутствие рудных тел или иных геологических образований, в том числе пустот, в толще окружающих отложений [1].

Возможны различные варианты просвечивания из одной штольни в другую или из буровой скважины на дневную поверхность. Модификацию радиоволнового просвечивания между горными выработками или между выработкой и поверхностью земли называют шахтным радиопросвечиванием, а просвечивание между скважинами или скважиной и дневной поверхностью - скважинным радиопросвечиванием. Различие в названиях обусловлено лишь техническими отличиями в аппаратуре [1].

Известны также ультразвуковые методы изучения акустических свойств пород. Их сущность заключается в прозвучивании, которое производится в межскважинном (межшпуровом) пространстве или методом поверхностного профилирования.

Однако для просвечивания пространства между горными выработками требуется бурение или проходка горных выработок, а поверхностное профилирование изучает только верхний тонкий слой. В этом случае акустические свойства пород отличаются от реальных, если они были определены на образцах отобранных в глубине массива [2].

Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой метод изучения акустических свойств пород.

Недостатком известных способов просвечивания является то, что для использования этих методов требуется наличие горных выработок, скважин, штолен, что требует больших затрат. Кроме того, при таких модификациях всегда существуют волноводные эффекты (помехи) за счет горных выработок, в которых устанавливаются источники излучения.

Целью настоящего изобретения является обнаружение пустот с поверхности земли без разрушения сплошности земной поверхности.

В земной коре находятся различные естественные и искусственные воздушные полости. Это пещеры, штольни, подземные сооружения и другие объекты, которые являются объемными резонаторами.

Объемный резонатор - это колебательная система, которая при воздействии внешней силы определенной частоты способна совершать колебания с максимальной амплитудой на частоте, близкой к его собственной частоте. Собственные частоты резонатора зависят от его величины и формы.

Связь резонатора с окружающей средой происходит с помощью выходящих из него квазискользящих волн (Волны Калои), регистрация которых на поверхности земли позволяет судить о состоянии резонатора [6].

Рассмотрим собственные частоты некоторых пустот.

При интерпретации полученной в пустотах акустической эмиссии предполагалось, что максимальные интенсивности наблюдаемых акустических сигналов обусловлены резонансными явлениями, возникающими в объемном резонаторе. К примеру, пещера моделируется как сферический резонатор, штольня - как цилиндрический резонатор и т.п. Собственные частоты сферического резонатора определяются выражением из гидродинамики [3]:

f m , n = c з 2 π r 0 ν m ( n ) ,                                                               (1)

где c3 - скорость звука в сферическом резонаторе, r0 - его радиус, ν m ( n ) - корни уравнения.

d d ν ( π 2 ν J n + 1/2 ( ν ) ) = 0,                                                                (2)

(Jn+1/2(ν)) - функция Бесселя 1-го рода, n=0, 1, 2…, m=1, 2….

В [3] были вычислены пять корней для: f10=4,4934, f20=7,7254, f30=10,904, f40=14,066, f50=17,222.

Для радиальных колебаний (n=0) ν m ( n ) π 2 ( 2 m + 1 ) и для fm,o имеем:

f m , o c 3 4 r 0 ( 2 m + 1 ) ,                                                                             (3)

При c3=330 м/с, r0=10 м имеем: для m=1, ν1,0=24,8с-1; m=2, ν2,0=о=41,3с-1; m=3, ν3,0=57,8с-1.

Предполагая, что штольня, которая соединяется с пещерой, моделируется как цилиндрический резонатор, то для собственных частот цилиндрического резонатора имеем [4]:

f n , m , k = c 3 2 π a [ μ m ( n ) 2 + a 2 l 2 ( π k ) 2 ] 1/2 ,                                                              (4)

где a - радиус цилиндрического резонатора; l - его длина; n=0, 1, 2…; m, k=1, 2…; μ m ( n ) - корень номера m уравнения d d μ J n ( μ ) = 0 .

Для радиальных колебаний (n=0) имеем:

f 0, m , k = c 3 2 π a [ μ m ( 0 ) 2 + a 2 l 2 ( π k ) 2 ] 1/2 ,                                                                  (5)

где μ m ( 0 ) - корень номера m уравнения d d μ J 0 ( μ ) = 0 .

Для первых пяти значений μ m ( 0 ) имеем μ 1 ( 0 ) = 3,83 , μ 2 ( 0 ) = 7,02 , μ 3 ( 0 ) = 10,17 , μ 4 ( 0 ) = 13,32 , μ 5 ( 0 ) = 16,5 [5].

При a=1.75 м, l=30 м имеем следующие значения собственных частот: f0,1,0≈115c-1, f0,2,0≈210с-1, f0,3,0≈305с-1, f0,4,0≈400с-1, f0,5,0≈495с-1.

Приведенный пример цилиндрического резонатора с радиусом a=1,75 м и длинной l=30 м соответствует реальной пещере Фу Ронг на водохранилище By Лонг (КНР), где проводились измерения акустической эмиссии и вычислялись спектры фоновых измерений и измерений с сигналом - предвестником землетрясений.

Как следует из теоретических расчетов, резонансные частоты отмечаются на 115, 210, 305, 400, 495 Гц. На реальных спектрах мы наблюдаем резонансы на 95, 200, 300, 400 Гц. Далее спектр не вычислялся. Как следует из этого примера, только первая теоретическая резонансная частота отличается от реальной на 20 Гц, остальные близки друг к другу, что подтверждает возможность использования предложенного способа [6].

Из приведенных выше оценок для конкретных размеров сферического (пещера) и цилиндрического (штольня) резонаторов видно, что собственные частоты сферического резонатора меньше собственных частот цилиндрического резонатора. Это означает, что эти два резонатора могут охватить широкий спектр резонирующих частот.

Измерения акустической эмиссии на профиле проводятся с равномерным шагом. Масштаб поисков определяется предполагаемыми размерами искомых объектов. Аномалии создаваемые искомыми объектами должны быть подсечены минимум двумя-тремя маршрутами. При необходимости выполняется более детальная съемка. При этом расстояние между точками, как при площадной, так и при профильной съемках, выбирается так, чтобы надежность обнаружения аномалий, созданных объектами поиска, например, по критерию Котельникова, составляла 99,5%. Исходя из этих соображений аномалия (по соотношению энергии аномалии к энергии помехи - равному единице) может быть выделена по 27 точкам на профиле. Если отношение энергия аномалии к энергии помехи равно двум, то с той же надежностью аномалию можно выделить по семи точкам. При этом считается, что помеха по профилю не коррелируется. Надежность может быть снижена до 95%.

Время наблюдения на каждой точке выбирается исходя из необходимости обнаружения тех или иных частот полезного сигнала. Из опыта авторов для выделения частот 0,01 Гц достаточно 3 минут наблюдения на одной точке.

Для нашей задачи необходимо анализировать частоты начиная с 1 Гц и выше. Поэтому интервал 3-10 секунд позволяет надежно оценивать спектры, осреднять их и находить наиболее типичный в измерениях на конкретной точке. Можно также найти усредненный спектр по более протяженной регистрации, например, по 1 минуте. По максимальным значениям на спектрах выделяется предположительно резонансные частоты при разных параметрах m, где m=1, 2, 3 из формулы (3), которые видны на палеточных (теоретических) спектрах. Для более точной оценки формы пустот и связанных с ними резонансных частот рассматривается несколько типичных форм, каждая из которых имеет свои параметры (в т.ч. резонансные частоты) и выбирается наиболее подобная из серии палеточных-теоретических форм по сочетанию резонансных графиков и/или формы спектров, путем сопоставления теоретических и экспериментальных спектров и идентификации путем корреляции.

Сопоставления теоретической кривой спектра (S0(f)) с практической Sэ(f), позволяет найти наиболее подобный теоретический спектр по среднеквадратической разности не превышающей +Kσs (K=1÷3), и наиболее точно определять резонансные частоты аналогично тому, как это, к примеру, выполняют в электроразведке методом ВЭЗ при выборе из набора палеток теоретической кривой подобной экспериментальной, и приписать экспериментальной параметры наиболее подобной теоретической [1].

В каждой точке измерения снимаются значения спектров на резонансных частотах и строится график амплитуды основных спектров (m=1, 2, 3) по профилю. На таких графиках видны аномалии, выделенные по превышению интенсивности спектральной функции S(fm) на профиле над средним ее значением на величину +Kσs, где K=1÷3. По аномалиям и градиентам функции S(fm) определяют вероятные границы искомых объектов на профиле. По этим границам и заданной форме определяют предварительные размеры и форму заданных объектов.

Таким образом, неразрушающий способ обнаружения пустот в верхней части разреза земной коры, заключается в выполнении съемки на профиле и/или на площади по акустической эмиссии в частотном интервале 0,1-500 Гц путем выполнения профилирования по природным акустическим шумам, созданным микроземлетрясениями, лунно-суточными приливами и/или техническими шумами на поверхности земли, с расстоянием между точками измерения в соответствии с масштабом съемки поисков. Наблюдение в каждой точке производится в течение не менее 1 минуты. После этого вычисляют спектры акустической эмиссии за 3-10 секунд и/или 60 секунд, и/или в нескольких временных интервалах этой минуты, и находят средний (преобладающий) спектр.

При постановке задачи поиска для обнаружения пустот определенной формы задаются теоретические объекты поиска. По их теоретическим спектрам определяют резонансные частоты. Определяют также резонансные частоты экспериментальных спектров. Идентифицируют экспериментальные спектры по теоретическим и находят их подобие. Если теоретические спектры будут обнаружены (опознаны) среди экспериментальных, то последним будут определены резонансные частоты fm, иначе такие частоты будут искать в ближайших точках (частотах), отличающихся от теоретических резонаторов на ±Δfm (где Δfm - средняя квадратичная погрешность f на экспериментальных спектрах). Например, вычисленная по погрешности вычисления экспериментальных спектров Sэ(f). На профиле строят графики экспериментального спектра Sэ(fm) функции на резонансных частотах. По аномалиям Sэ(fm) (выделенных по превышению интенсивности спектральной функции Sэ(fm) на профиле над средним ее значением на величину +Kσs, где K=1÷3; σs - среднее квадратичная ошибка вычисления спектров), и градиентам Sэ(fm) определяют вероятные границы искомых объектов на профиле. По этим границам и заданной форме определяют предварительные размеры искомых (заданных) объектов (пустот) вычисляют теоретический спектр, сравнивают его с экспериментальным и идентифицируют их путем вычисления разности между сравниваемыми спектрами (объектами). Это сравнение можно выполнить путем вычисления специальных теоретических палеток - спектров различных пустот, отличающихся как по размеру, так и по форме, и сравнения с ними (путем перебора) экспериментального спектра как это, к примеру, выполняется в методе ВЭЗ [1]. Если сравниваемые спектры отличаются друг от друга на величину ≤Kσэ, то Sэ(f) отождествляют с пустотами заданной формы.

Способ испытывался на ряде объектов: в районе г.Сосновый Бор Ленинградской области, на хребте в районе п.Да Лу Ба (КНР, Сяо Нан Хай), в пещере Фу Ронг (КНР, By Лонг) и др.

Список литературы

1. Якубовский Ю.В. Ляхов Л.Л. Электроразведка. Издательство «Недра»: Москва, 1964 г.

2. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. М. «Недра», 1984 г.

3. Г. Ламб, «Гидродинамика», ОГИЗ, Гостехиздат, 1947, 913 с.

4. В.М. Бабич, М.Б. Канилевич и др., «Линейные дифференциальные уравнения математической физики» М. «Наука», 1964 г., 368 с.

5. М.И. Исаакович, «Общая акустика» М. «Наука», 1973 г. 350 с.

6. Бурдакова Е.В., Глинская Н.В., Морозов В.Н., Паламарчук В.К., Прялухина Л.А. Роль природных резонаторов в прогнозе землетрясений. // известия высших учебных заведений Северо-Кавказкий регион. Естественные науки 2009. выпуск 2. 24.04.09.

Похожие патенты RU2501041C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ МАГНИТНОЙ НАВИГАЦИИ ПО ГЕОМАГНИТНЫМ РАЗРЕЗАМ 2010
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Бурдакова Елена Владиславовна
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Мищенко Оксана Николаевна
  • Прялухина Любовь Александровна
RU2530778C2
СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ РАЙОНОВ ПРИМЕНЕНИЯ НАВИГАЦИИ ПО МАГНИТНОМУ ПОЛЮ 2010
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Бурдакова Елена Владиславовна
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Мищенко Оксана Николаевна
  • Прялухина Любовь Александровна
RU2447405C2
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ "ЖИВУЩИХ" РАЗЛОМОВ 2013
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Мищенко Оксана Николаевна
  • Бурдакова Елена Владиславовна
  • Петров Вадим Викторович
RU2559153C2
СПОСОБ ВЫБОРА МЕСТ ДЛЯ УСТАНОВКИ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ПРИ КРАТКОСРОЧНОМ ПРОГНОЗЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ 2009
  • Глинская Надежда Викторовна
RU2439619C2
СПОСОБ ТРАССИРОВАНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА 2009
  • Мищенко Оксана Николаевна
RU2442191C2
СПОСОБ ПОИСКА ЗАЛЕЖЕЙ ГАЗОГИДРАТОВ В ЗОНАХ ЖИВУЩИХ РАЗЛОМОВ 2013
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Смирнов Александр Николаевич
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Мищенко Оксана Николаевна
  • Бурдакова Елена Владиславовна
  • Петров Вадим Викторович
RU2541107C2
СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ ГОРИЗОНТОВ НА АКВАТОРИЯХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТРЕНД-АНАЛИЗА МАГНИТНЫХ И ГРАВИТАЦИОННЫХ АНОМАЛИЙ 2011
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Мищенко Оксана Николаевна
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Бурдакова Елена Владиславовна
  • Шарков Дмитрий Витальевич
RU2501047C2
МЕТОД ПАССИВНОГО АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИДОННЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ 2013
  • Половинка Юрий Александрович
  • Максимов Алексей Олегович
RU2521717C1
РАСХОДОМЕР 2013
  • Жиров Михаил Вениаминович
  • Совлуков Александр Сергеевич
  • Жирова Вера Владимировна
RU2534450C1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ КРАТКОСРОЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В РАЙОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ 2007
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Прялухина Любовь Александровна
RU2356072C1

Реферат патента 2013 года НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПУСТОТ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ЗЕМНОЙ КОРЫ

Изобретение относится к области сейсмологии и инженерной геологии. Предложен способ обнаружения пустот в верхней части разреза земной коры, в котором осуществляют измерение и регистрацию акустической эмиссии на профиле в частотном интервале 0,01-500 Гц, с расстоянием между точками измерения в соответствии с масштабом поисков. При этом профилирование выполняют по естественным акустическим шумам. Наблюдение акустической эмиссии в каждой точке производят в течение не менее 1 минуты, вычисляют спектры акустической эмиссии за 3-10 секунд в нескольких временных интервалах, находят средний преобладающий экспериментальный спектр Sэ(f) и среднее квадратичное отклонение (σs) среднего от трехсекундных спектров. Задаются теоретической формой объектов поиска, вычисляют их теоретические спектры S0(f). По функции Sэ(f) определяют резонансные частоты fm, на профиле строят графики интенсивности спектральной функции Sэ на резонансных частотах fm (m=1, 2, 3). По аномалиям интенсивности, выделенным по превышению интенсивности спектральной функции S(fm) на профиле над средним ее значением на величину +Kσs, и градиентам функции S(fm) определяют вероятные границы искомых объектов на профиле. По указанным границам и заданной форме определяют предварительные размеры и форму заданных объектов. Вычисляют теоретические спектры, сравнивают их с экспериментальным, находят наиболее подобный теоретический спектр по среднеквадратической разности, не превышающей +Kσs (K=1÷3), и отождествляют выделенный теоретический спектр с пустотами заданной формы и размера. Предложенный способ обеспечивает возможность обнаружения пустот без разрушения сплошности земной поверхности.

Формула изобретения RU 2 501 041 C2

Неразрушающий способ обнаружения пустот в верхней части разреза земной коры, содержащий измерение и регистрацию акустической эмиссии на профиле в частотном интервале 0,01-500 Гц, с расстоянием между точками измерения в соответствии с масштабом поисков, отличающийся тем, что профилирование выполняют по естественным акустическим шумам, наблюдение акустической эмиссии в каждой точке производят в течение не менее 1 мин, вычисляют спектры акустической эмиссии за 3-10 с в нескольких временных интервалах, находят средний преобладающий экспериментальный спектр Sэ(f) и среднее квадратичное отклонение (σs) среднего от трехсекундных спектров, задаются теоретической формой объектов поиска, вычисляют их теоретические спектры S0(f), по Sэ(f) определяют резонансные частоты fm, на профиле строят графики интенсивности спектральной функции Sэ на резонансных частотах fm (m=1, 2, 3), по аномалиям интенсивности, выделенных по превышению интенсивности спектральной функции S(fm) на профиле над средним ее значением на величину +Kσs, где K=1÷3, и градиентам функции S(fm) определяют вероятные границы искомых объектов на профиле, по этим границам и заданной форме определяют предварительные размеры и форму заданных объектов, вычисляют теоретические спектры, сравнивают их с экспериментальным, находят наиболее подобный теоретический спектр по среднеквадратической разности, не превышающей +Kσs (K=1÷3), и отождествляют выделенный теоретический спектр с пустотами заданной формы и размера.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2501041C2

Способ сейсмической разведки 1980
  • Николаев Алексей Всеволодович
  • Троицкий Петр Александрович
  • Чеботарева Ирина Яковлевна
SU1000962A1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ГРУНТА (ВАРИАНТЫ) И ВИБРОЩУП ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2004
  • Батанов Александр Федорович
  • Бубнов Евгений Яковлевич
  • Гущин Владимир Васильевич
  • Миннегулов Альберт Кутдусович
  • Рубцов Сергей Николаевич
RU2275657C1
СПОСОБ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭМИССИИ И РАССЕЯННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2004
  • Чеботарева Ирина Яковлевна
  • Рожков Михаил Владимирович
  • Тагизаде Теймури Тагиевич
  • Ерохин Геннадий Николаевич
RU2278401C1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ КРАТКОСРОЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В РАЙОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ 2007
  • Паламарчук Василий Климентьевич
  • Глинская Надежда Викторовна
  • Прялухина Любовь Александровна
RU2356072C1
US 6442489 B1, 27.08.2002.

RU 2 501 041 C2

Авторы

Бурдакова Елена Владиславовна

Даты

2013-12-10Публикация

2010-10-15Подача